Circuitos Rectificadores
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Fuentes de Alimentación Lineales
CIRCUITOS RECTIFICADORESCIRCUITOS RECTIFICADORES
Jimmy Reyes LopezJimmy Reyes Lopez
Fuentes de Alimentación Lineales
INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN
La mayoría de los circuitos electrónicos necesitan una o varias fuentes de tensión continua para su funcionamiento.
Alimentación a partir de pilas o baterías.• Poca autonomía y coste elevado• Aceptable cuando el consumo es bajo
Alimentación a partir de la red eléctrica.• Fuente de energía primaria más frecuente• Tensión alterna sinusoidal• Se necesita obtener tensión continua a partir de la tensión de red
RectificadorFiltro
Pasivo
Estabilizador o
ReguladorVCA VCC
Transformador
Fuentes de Alimentación Lineales
TRANSFORMADORTRANSFORMADOR
Sus misiones principales son:• Adaptar la tensión de red al valor requerido por la carga N1 : N2
• Proporcionar aislamiento galvánico Protección del usuario
Existen varias configuraciones posibles que dependen del tipo de rectificador elegido:
• Primario-secundario• Toma media en secundario
12
12
11
22
iNN
i
vNN
v
⋅=
⋅=
Transformador
N2
i1 i2
v1 v2N1 N2
i1 i2
v1 v2N1
v1 N1
v2
v2
N2
N2
v1 N1
v2
v2
N2
N2
Fuentes de Alimentación Lineales
TRANSFORMADORTRANSFORMADOR Parámetros utilizados generalmente para su elección:
• Relación de tensiones entre primario y secundario, ambas expresadas en valores eficaces.
• Potencia del transformador en VA.• Factor de regulación de carga suele variar entre un 5 y un 10%.
Tensión del primario vendrá impuesta por la tensión de red disponible (220 V)
Tensión del secundario se obtiene al diseñar la fuente, pero es importante tener en cuenta que:
• Toma distintos valores según la corriente que esté suministrando el trafo (factor de regulación de carga).
• También se verá influenciada por las posibles variaciones de la tensión de red (hasta un ±10%).
Potencia del transformador:• Suma de las potencias consumidas por el resto de la fuente,
incrementada en un cierto porcentaje (entre un 10 y un 20%) con objeto de compensar otras pérdidas de difícil evaluación.
Fuentes de Alimentación Lineales
RECTIFICADORRECTIFICADOR
V
VN
N ⋅1
2
v1
vo
t
t
v1 vo
N1 : N2
v1
vo
N1
N2
N2
v1
vo
t
t
V
VN
N ⋅1
2
v1 vo
N1 : N2
v1
vo
t
t
V
VN
N ⋅1
2
Convierte la tensión alterna suministrada por el “trafo” en una tensión pulsatoria unidireccional, con valor medio no nulo.
Fuentes de Alimentación Lineales
RECTIFICADORRECTIFICADOR En la práctica, se utilizan casi exclusivamente los montajes
rectificadores de doble onda, por sus mejores características.
t
V
T
t
V
T
Calidad de la tensión de salida análisis de Fourier• cc (valor medio) + ca (suma infinitos términos sinusoidales)
( ) ( )∑∞
=
ωπ−
−ω=
π=
...4,22
cos)1(
2sin
2 nca
cc
tnn
Vt
VV
VV
( ) ( ) ...4cos15
42cos
3
4
2
−ωπ
−ωπ
−=
π=
tV
tV
V
VV
ca
cc
Fuentes de Alimentación Lineales
RECTIFICADORRECTIFICADOR
Rectificadores monofásicos de doble onda: características.
• Los dos montajes proporcionan la misma forma de onda
• Transformador con toma media:• En cada semiciclo sólo conduce un diodo.• Cada diodo deben soportar una tensión inversa igual al
doble de la tensión máxima de cada semidevanado del secundario.
• Montaje en puente:• En cada semiciclo conducen simultáneamente dos
diodosmayores pérdidas.• Cada diodo debe soportar una tensión inversa igual al
valor máximo de la tensión del secundario.• Generalmente, es el montaje más utlizado
Fuentes de Alimentación Lineales
La elección de los diodos se realiza en base a las corrientes y tensiones que se ven obligados a manejar en cada aplicación.
• Corriente media directa, IF(AV)
• Tensión inversa de trabajo máxima, VRWM
• Corriente máxima de pico repetitivo, IFRM
Se suelen emplear diodos “de propósito general”.• Diseñados para trabajar a bajas frecuencias en
aplicaciones de rectificación (hasta 400 Hz).
• Existen dispositivos capaces de manejar corrientes desde 1 a 25 A, con tensiones inversas que van desde 50 hasta 1000 V.
• También se utilizan puentes rectificadores que incluyen los cuatro diodos en un único encapsulado.
RECTIFICADORRECTIFICADOR
Fuentes de Alimentación Lineales
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
Transformador+
Rectificador
Reducir la componente alterna en la salida del rectificador.
Acción de filtrado “ideal”:•Permitir el paso de la componente continua hacia la carga •Impedir que la componente alterna llegue a la carga
Análisis aplicando el principio de superposición•Sólo si comportamiento lineal
Fuentes de Alimentación Lineales
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
Filtro por bobinaFiltro por bobina
Elección del valor de L:
• ZL(ca) >> RL
• iL > 0
ve(ca)
ZL = 2·π·f·L
RLve(cc)
ZL = 0
RL
ve(cc) = ——2·V
πve(ca) = - ——·cos (2ωt) - ——·cos (4ωt) + ···
2·V
3·π
4·V
15·π
Rectificador ve RL
iL
L
Fuentes de Alimentación Lineales
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
Filtro por bobina y condensadorFiltro por bobina y condensador
Rectificador ve RL
iL
L
C
Mejora el funcionamiento.• C contribuye a impedir que la componente ca llegue a la carga
Elección de los valores de L y de C:
• ZC(ca) << RL
• ZL(ca) >> ZC (ca)
• iL > 0
(cc)
(ca)
Fuentes de Alimentación Lineales
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
Filtro por condensadorFiltro por condensador
Rectificador ve RL
C
Evita el uso de inductancias
Análisis más complejo
• Pesadas y voluminosas para frecuencias de 60 / 100Hz.
• La evolución de corrientes y tensiones en el circuito da lugar a instantes en los que todos los diodos del rectificador no conducen (están inversamente polarizados) Comportamiento no lineal.
• No es posible aplicar el principio de superposición
Fuentes de Alimentación Lineales
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
100 20 30 40 50
vo
iD1-D2
iD3-D4
ic
i2
t(ms)
0
0
0
0
D1
D2
D3
D4
C RL vov2v1
i2
220 V50 Hz
ic
io
Filtro por condensadorFiltro por condensador Análisis
Aplicación al rectificador en puente:
Fuentes de Alimentación Lineales
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
Filtro por condensadorFiltro por condensador Análisis
Tensión de salida: exponencial y senoidal
Aproximación por onda triangular simplifica cálculos• Considera descarga lineal del condensador (RL·C>>T/2)• Supone carga instantánea de C cuando los diodos conducen
• Un análisis detallado resultaría complicado
Fuentes de Alimentación Lineales
vo
VoM
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
Filtro por condensadorFiltro por condensador Análisis
T / 2
Vr
Supone descarga de C a corriente constante.
El valor de Vr suele ser conocido• Limitado por las especificaciones• Permite calcular el valor de C• Hay que tener en cuenta las tolerancias (±20%)
• iC = icarga = Io
Se define el factor de rizado como:
Vom
Vo L
o
L
ccoo R
V
R
vI =≅ )(
Cf
I
CRf
VV o
L
or 22
==
CRfV
V
V
VFR
Lo
r
o
RMSr
34
132)( ===
Fuentes de Alimentación Lineales
Filtro por condensadorFiltro por condensador
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
Análisis
Consideraciones importantes:• La tensión en la carga tiene un rizado menor cuanto mayor es la
capacidad del condensador• Una mayor capacidad provoca un menor intervalo de conducción
de los diodos mayores“picos” de corriente en ellos
v2
t
t
iD
T1
T
v2
t
t
iD
T1 TC ↓ C ↑
Fuentes de Alimentación Lineales
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
Filtro por condensadorFiltro por condensador Análisis
Conclusión: no se debe usar un condensador de capacidad excesiva
• Se evita un aumento innecesario de volumen y coste• Menores problemas con la corriente en los diodos y en el
transformador
Acerca de los picos de corriente en los diodos:• Son de difícil evaluación. Suelen considerarse entre 5 y 20 veces
mayores que la corriente media en la carga.• Es importante comprobar que no superen la IFRM de los diodos.• El instante más peligroso es la primera conexión de la fuente, ya
que el condensador completamente descargado pico de corriente más elevado.
• Además, un menor intervalo de conducción de los diodos provoca un aumento de la corriente eficaz mayor calentamiento del trafo.
Fuentes de Alimentación Lineales
ESTABILIZADORESTABILIZADOR
El conjunto Trafo + Rectificador + Filtro puede constituir una fuente de alimentación
• Si la carga no demanda demasiada corriente• Sensible a las variaciones de carga y de la tensión de red
Para conseguir una mayor “calidad” en la tensión de salida se puede incluir un estabilizador
• La estabilidad se consigue aprovechando las características de un dispositivo electrónico (generalmente, un diodo zener)
• No se utiliza realimentación• Su funcionamiento está basado en recortar la tensión de entrada
hasta el nivel deseado
RectificadorFiltro
PasivoEstabilizador
Fuentes de Alimentación Lineales
ESTABILIZADORESTABILIZADORCon diodo zenerCon diodo zener
vo = Vz
RS
RLVz vo
FUENTE
SIN
REGULAR
vi
Vz
ViM
La tensión vi debe ser siempre mayor que la tensión vo
• Interesa que vi no sea mucho mayor que vo.
La diferencia entre ambas tensiones es soportada por la resistencia RS
• Elección de N2:N1.
iR
iZ
io
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ESTABILIZADORESTABILIZADORCon diodo zenerCon diodo zener
Límites de funcionamiento del estabilizador propuesto• Corriente en el zener: Iz(min) ≤ iz ≤ Iz(max)
• Corriente en RS: IR(min) = Io(max) + IZ(min)
(max)(min)
(max)
(min)(max)
(min)
Zo
ZiS
Zo
Zi
II
VVR
II
VV
+−
≥≥+
−
En general, interesa RS grande: • Menor calentamiento del zener• La tensión vo se ve menos
afectada por las variaciones de vi
Principal inconveniente:• Si el circuito se diseña para suministrar corrientes de salida
elevadas, el diodo zener debe ser capaz de soportar esas corrientes zener de potencia
RS
RLVz vovi
iR
iZ
io
Fuentes de Alimentación Lineales
REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓN
Los circuitos estabilizadores tienen algunas limitaciones:• La exactitud de la tensión de salida depende en gran medida de las
características de los dispositivos electrónicos utilizados.• Carecen de un mecanismo de control de la tensión de salida que
detecte y contrarreste sus posibles variaciones.
Regulador lineal mantiene la tensión de salida constante • Sistema realimentado negativamente para mantener la tensión de
salida constante ante variaciones de carga y/o tensión de entrada.
IntroducciónIntroducción
RectificadorFiltro
PasivoRegulador
Fuentes de Alimentación Lineales
REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓNIntroducciónIntroducción
Fuente noregulada
ReguladorVi Vo
RsIi Io
IcRegulador
Vi
Ii Io
VoFuente noregulada
SerieSerie
ParaleloParalelo
Existen dos tipos de reguladores: serie y paralelo• Las posibles variaciones de la tensión de salida debidas a cambios en
la tensión no regulada y en la corriente de salida se compensan con variaciones de:
•La caída de tensión en un elemento situado en serie con la carga Regulador serie
•La corriente en un elemento situado en paralelo con la carga Regulador paralelo
• En la práctica, el regulador serie es el más utilizado.
Fuentes de Alimentación Lineales
REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓN
AMPLIFICADORDE ERROR
CIRCUITO DEMUESTREO
ELEMENTODE CONTROL
(en serie)
Vientrada
no regulada
Vosalida
regulada
TENSIÓN DEREFERENCIA
Regulador lineal básicoRegulador lineal básico
Diagrama de bloques típico de un regulador serie:
Fuentes de Alimentación Lineales
REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓNRegulador lineal básicoRegulador lineal básico
Circuito de referencia:• Proporciona una tensión de referencia estable.• Se suele utilizar un circuito basado en diodo zener.• Solución más simple diodo zener + resistencia de polarización.
Circuito de muestreo:• Entrega una señal proporcional a la tensión de salida. • Suele estar constituido por un divisor de tensión resistivo situado a la
salida del regulador.
Amplificador de error:• Compara la muestra de la tensión de salida con la tensión de referencia y
genera una señal de error proporcional a la diferencia entre ambas.
Elemento de control:• Su misión es interpretar la señal de error y corregir las variaciones de la
tensión de salida.• Suele estar constituido por un transistor bipolar (normalmente NPN)
conectado en serie entre la entrada y la salida.
Características de los bloques que lo constituyen:
Fuentes de Alimentación Lineales
REGULADORES INTEGRADOSREGULADORES INTEGRADOSIntroducciónIntroducción
Surgieron debido a la necesidad de utilizar reguladores de tensión en las fuentes de alimentación.
• Primera generación componentes de aplicación general.• La gran demanda de determinadas tensiones de alimentación (por
ejemplo, 5V) condujo a la realización de reguladores de tensión fija, con sólo tres terminales.
•bajo costo y facilidad de empleo.• Posteriormente se desarrollaron reguladores de tensión ajustable de
tres terminales.•bajo costo + facilidad de empleo + gran versatilidad.
Una posible clasificación:• Reguladores de múltiples terminales.• Reguladores de tres terminales:
•de tensión fija:• positiva• negativa
•de tensión ajustable:• positiva• negativa
Fuentes de Alimentación Lineales
REGULADORES INTEGRADOSREGULADORES INTEGRADOSReguladores de múltiples terminalesReguladores de múltiples terminales
• Su estrutura interna se corresponde con la del regulador lineal básico.
• Muchas de las partes del circuito son independientes y pueden ser conectadas por el usuario.
• Son dispositivos versátiles que simplifican el diseño de fuentes de alimentación lineales.
• Los componentes más representativos de esta familia son:
∀ µA723 (14 terminales) • L200 (5 terminales).
Fuentes de Alimentación Lineales
REGULADORES INTEGRADOSREGULADORES INTEGRADOSReguladores fijos de tres terminalesReguladores fijos de tres terminales
Empleo como fuente de corriente
La tensión de salida del regulador se aplica sobre una resistencia, dando lugar a una una corriente constante a su través.
La tensión de entrada debe ser suficiente para el funcionamiento del regulador.
• Suponiendo que la mínima caída de tensión entrada-salida para la serie 78XX es de 3 V:
ooRi VVV ++≥ 3
VoR
R
IQVo
ViC1330nF
78XX
Io
79XX
Vi
Io
Vo
R
C12,2µF
C21µF
IQ
QoR
o IR
VI +=
Fuentes de Alimentación Lineales
REGULADORES INTEGRADOSREGULADORES INTEGRADOSReguladores fijos de tres terminalesReguladores fijos de tres terminales
Tensiones de entrada elevadas
En general, la máxima tensión aplicable a la entrada de un regulador de la serie 78XX es de 35 V (para la serie 79XX, -35 V).
Si la tensión de entrada es superior a la máxima indicada por el fabricante, se puede colocar un estabilizador antes del regulador.
Esta solución también puede ser interesante para reducir la disipación de potencia en el regulador, incluso aunque Vi < Vi(max).
78XXQ1
R1
D1
C10,22µF
Vi Vo
vBE
Vz
+
-
Fuentes de Alimentación Lineales
REGULADORES INTEGRADOSREGULADORES INTEGRADOSReguladores ajustables de tres terminalesReguladores ajustables de tres terminales
• Diferencia fundamental respecto a un regulador fijo el divisor resistivo no está integrado.
• La elección de la tensión de salida se realiza mediante un divisor externo conectado al terminal de ajuste (ADJ).
• El retorno de la corriente de reposo tiene lugar a través de la salida se debe permitir su circulación.
• Para un funcionamiento correcto necesitan un consumo mínimo.
• La corriente de salida debe ser, al menos, de unos pocos mA.
Diagrama de bloques
Características básicasCaracterísticas básicas
Elementode control
Circuito deprotección
Referencia
OUTIN
ADJ
Fuentes de Alimentación Lineales
REGULADORES INTEGRADOSREGULADORES INTEGRADOSReguladores ajustables de tres terminalesReguladores ajustables de tres terminales
TipoVo(min)
(V)
Vo(max)
(V)
Io(max)
(mA)
Io(min)
(mA)
Iadj(min)
(mA)
(Vi-Vo)min
(V)
(Vi-Vo)max
(V)
LM317 1,2 3750010001500
3,5 0,1 3 40
LM350 1,2 32 3000 3,5 0,1 3 35
LM338 1,2 32 5000 3,5 0,1 3 35
TipoVo(min)
(V)
Vo(max)
(V)
Io(max)
(mA)
Io(min)
(mA)
Iadj(min)
(mA)
(Vi-Vo)min
(V)
(Vi-Vo)max
(V)
LM337 -1,2 -3750010001500
2,5 0,1 -3 -40
LM333 -1,2 -32 3000 5 0,1 -3 -35
Parámetros característicos
Fuentes de Alimentación Lineales
REGULADORES INTEGRADOSREGULADORES INTEGRADOSReguladores ajustables de tres terminalesReguladores ajustables de tres terminales
EncapsuladosEncapsulados
Fuentes de Alimentación Lineales
REGULADORES INTEGRADOSREGULADORES INTEGRADOSReguladores ajustables de tres terminalesReguladores ajustables de tres terminales
Reguladores positivos (montaje básico)Basta con añadir un divisor resistivo al circuito integrado.
Condición de corriente mínima valor máximo para R1.
• El caso más desfavorable es cuando el regulador funciona sin carga. Toda la corriente que sale del regulador circula por el divisor resistivo.
• Se suele imponer un consumo mínimo de unos 10 mA.
• Una corriente insuficiente provoca un aumento de la tensión de salida.
• En funcionamiento normal:
317
VR
IA
OutIn
Adj
I1
R1
R2
Vi Vo2
1
21 RIR
RVV ARo ⋅+
+=
• Generalmente, el efecto de IA es despreciable.
con VR = 1,25 V e IA ≅ 100 µA
Fuentes de Alimentación Lineales
REGULADORES INTEGRADOSREGULADORES INTEGRADOSReguladores ajustables de tres terminalesReguladores ajustables de tres terminales
Reguladores positivos (montaje mejorado)
Vi Vo
317
C1
R2
R1 D2
D1
100nFC21µF
C310µF
Sólo es necesario si el regulador está
“lejos” de la fuente sin regular
Permite la descarga de C3 en caso de
cortocircuito en la salida
Mejora la respuesta
transitoria del regulador
Protege al regulador frente a la descarga
de C2, si la tensión Vi disminuye o se anula
Contribuye a disminuir el rizado de la
tensión de salida
Permite ajustar la tensión de salida al valor
deseado
Fuentes de Alimentación Lineales
REGULADORES INTEGRADOSREGULADORES INTEGRADOSReguladores ajustables de tres terminalesReguladores ajustables de tres terminales
Reguladores negativos (montaje básico)
Vi Vo
337
C1
R2
R1
1µFC21µF
• Es obligatorio colocar un condensador en la salida para asegurar la estabilidad del sistema.
• En la entrada sólo es necesario un condensador si la distancia entre la fuente y el regulador es apreciable.
• La expresión de la tensión de salida es la misma que en el regulador positivo, aunque VR es de polaridad opuesta (-1,25 V típico).